Автор работы: Пользователь скрыл имя, 08 Июня 2013 в 20:53, лабораторная работа
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
Создание планарного градиентного волновода методом термического ионного обмена.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ:
Подложки для изготовления ионообменных волноводов - полированные пластинки стекла, содержащего в составе ионы щелочных металлов.
ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ В РАБОТЕ:
Ознакомление с основными методами создания планарных волноводов.
Ознакомление с основными принципами ионного обмена в стеклах.
Изготовление планарного градиентного волновода методом термического ионного обмена.
Как уже отмечалось выше, технология ионно-обменной диффузии относительно проста и дешева. Специальных требований к печи нет -атмосфера воздушная, рабочие температуры в пределах 200 - 650°С, стабилизация рабочей температуры ±1°С. Однако для получения однородных по всей поверхности подложки волноводов желателен однородный нагрев всего объема, в котором протекает диффузия и хорошая стабилизация температуры (~ 0,1°С). ТД - технологическая схема представляет собой, как правило, вертикальную шахтную печь с продольным обогревом. Сосуд с расплавляемым веществом помещается в печь в середину нагреваемого участка, что обеспечивает равномерный нагрев. Вертикальное расположение печи позволяет термостатировать ее только снизу и с боковой поверхности. Образующийся градиент температуры за нагреваемой областью направленный вверх позволяет плавно прогревать образец перед погружением в расплав путем постепенного опускания образца вниз к расплаву (Рис.2).
Рис.2.
Схема термодиффузионной
Большое прикладное значение имеет профиль показателя преломления (ПП) получаемых ТД-волноводов. Процесс ТД однозначно формирует градиентный ПП, хотя во многих прикладных задачах (например, согласование волноводов с волоконно-оптическими световодами) требуется более резкий ПП.
Таким образом, создание многомодовых волноводов и получение волноводов с более резким ПП во многих случаях в рамках ТД-технологии практически невозможно. Задача получения многомодовых волноводов с резким ПП разрешима, если использовать метод электродиффузии.
Основные отличия метода электродиффузии от метода ТД заключаются в следующем. Во-первых, процесс ТД есть двунаправленный процесс: ионы из расплава внедряются в стекло, соответственно ионы из стекла диффундируют в расплав. Процесс электродиффузии в основном однонаправленный процесс - ионы и в расплаве, и в стекле двигаются по полю. Конечно же, протекает и свободный ионный обмен под действием градиента концентрации, т.е. двунаправленный процесс ТД, но доля его в общем однонаправленном поступательном движении ионов по полю крайне мала, особенно для малоподвижных ионов, т.е. когда коэффициенты диффузии такого ТД-процесса малы. Именно благодаря этому моменту удается получать значительно более резкий ПП и именно в такой ситуации наиболее отчетливо проявляются преимущества электродиффузии перед ТД. Следует отметить, что методом электродиффузии возможно обменивать не только ионы щелочных металлов с близкими ионными радиусами, но и вводить такие крупные ионы, как Cs+ и Tl+, термическая диффузия которых сильно заторможена.
Во-вторых, процесс электродиффузии - объемный процесс, во всем расплаве, на поверхности раздела расплав-подложка и во всей подложке, в то время как ТД - чисто поверхностный процесс в тонком слое расплав-подложка.
В-третьих, в зависимости от величины поля меняется не только скорость ионного обмена, но и при достаточной величине электрического внешнего поля возможно движение каких-либо анионов из подложки на поверхность расплав-подложка, где и формируется волновод. Внутреннее перераспределение заряда, протекающее под действием внешнего поля и, следовательно, создающее внутреннее, собственное поле, возникающее вследствие того, что система подложка - формируемый волновод не успевает придти в термодинамическое равновесие, приводит к значительным изменениям как процесса формирования волновода, так и самого волновода.
Существует два способа электродиффузии: 1) когда к системе расплав-подложка прикладывается постоянное электрическое поле и, следовательно, через подложку протекает постоянный ионный ток - электродиффузия постоянного тока (ЭПТ) и 2) импульсная электродиффузией (ИЭД) - когда к системе расплав-подложка прикладывается сильное кратковременное электрическое поле.
Технология ЭПТ несколько сложнее. Сложности возникают при решении проблемы изоляции 2-х электродов (рис.3 и рис 4).Вследствие капиллярных явлений возможно короткое замыкание электродов, т.к., как правило, при диффузии из расплава, оба электрода являются расплавленными солями диффузантов. Возможна, конечно, твердотельная диффузия. В этом случае короткое замыкание исключено, однако сложности с воспроизводимостью слоев, особые требования к качеству поверхности, низкое приращение показателя преломления, большие потери и т.д. все еще не преодолены. Более перспективным направлением развития ионно-обменной диффузии без жидкой фазы является применение специальных паст.
Рис. 3. Схема
установки электродиффузии
Следует также отметить, что ЭПТ- технология используется также и для заглубления волновода. ЭПТ-заглубления, как и ЭПТ-изготовление волноводов применяется для получения более резких, чем у ТД-волноводов профилей ПП
Рис.4. Схема
установки электродиффузии
Однако, имеется ряд недостатков. ЭПТ-технология сложнее ТД-технологии, качество ЭПТ-волноводов низкое. Кроме того, однородность ЭПТ-волноводов по длине образца заметно хуже ТД-волноводов. В основном по этим причинам метод ЭПТ относительно плохо изучен и значительно менее распространен, чем ТД.
Таким образом, среди рассмотренных методов создания градиентных волноводов особое место занимает метод ионообменной диффузии. Этот метод обладает рядом преимуществ - простота, технологичность, воспроизводимость. Диффузионные волноводы могут быть получены - с разнообразными параметрами, на широком наборе силикатных стекол при использовании различных ионов - диффузантов, с хорошим качеством поверхности и однородностью, с низким затуханием и повышенной механической прочностью (для К + - диффузионных волноводов).
3. Некоторые сведения из теории диффузии.
Ионообменная реакция представляет собой обратимую химическую реакцию. В общем виде ее можно записать следующим образом:
{R- - A+} + B+^{R- - B+} + A+, (1.0)
где R - матрица ионообменного материала с фиксированным ионом; A+ и B+ - подвижные противоионы.
Если рассматривать реакцию (1) применительно к случаю обработки силикатного стекла с подвижными ионами A+ в расплаве соли, одержащей ионы B+, то ее кинетика определяется скоростями следующих разделенных во времени и пространстве последовательных стадий: 1) доставки иона В+ из объема расплава к поверхности стекла; 2) доставки иона В+ от поверхности стекла к активным группам R --A+; 3) химической реакции обмена ионов A+ % B+; 4) отвода иона A+ от места обмена к поверхности стекла; 5) отвода иона A+ от поверхности стекла в объем расплава. Совокупное рассмотрение всех стадий ионного обмена трудно осуществимо, поэтому прибегают к упрощению, основанному на известном кинетическом принципе лимитирующей стадии - скорость многостадийного процесса определяется скоростью наиболее медленной стадии. Нетрудно убедиться, что наиболее медленными являются стадии 2 и 4. Поэтому в основу количественных теорий ионного обмена необходимо положить диффузию ионов в стекле.
Диффузия - процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией Представления о сути явления и его количественное описание базируются на трех основных подходах: статистическом, термодинамическом и феноменологическом.
Статистический подход рассматривает перемещение частицы в среде по механизму случайных блужданий. Вероятность осуществления диффундирующей частицей элементарного акта перемещения в конденсированной фазе на расстояние х определяется подвижностью Д которая характеризует как свойства самой частицы, так и свойства среды, и времени t прохождения частицы от одной потенциальной ямы до другой
<x2> = 2kБ/m = 2Dt, (1.1)
где kБ - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, D -коэффициент диффузии. Из (1.1) следует известное уравнение Нернста-Эйнштейна:
D = kБpT. (1.2)
Согласно термодинамике необратимых процессов движущей силой переноса вещества i в изотермических условиях является градиент химического потенциала
Ji = Li gradu, (1.3)
По определению ц^ = ц.0 + RTlnai . Тогда:
Ji = [LiRT/ai] grad ai = - Di grad ai , (1.4)
где ai - термодинамическая активность; Li - коэффициент переноса; Ji -диффузионный поток; Di = - LiRT/ai - коэффициент диффузии.
Скорость диффузии
пропорциональна площади
По феноменологической теории скорость переноса диффундирующего вещества через сечение единичной площади прямо пропорциональна градиенту концентрации сi в направлении нормальном к плоскости сечения:
Ji = -Di gradci, (1.5)
dci /dt = div(Di gradci). (1.6)
Эти уравнения известны под названием первого и второго законов Фика. В случае одномерной диффузии они упрощаются:
Ji = -Di (dci /dx), (1.7)
dci /dt = d/dx [Di (dci /dx)]. (1.8)
Независимые расчеты по уравнениям (3.3), (3.6) и (3.9) приводят к одному и тому же значению коэффициента диффузии только в случае самодиффузии и диффузии в идеальных газах и растворах. В общем случае понятие коэффициента диффузии необходимо уточнять в соответствии с особенностями конкретного механизма процесса участвующих в нем частиц и структуры среды.
С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества.
Химический потенциал μ - один из термодинамических параметров системы, а именно энергия добавления одной частицы в систему без совершения работы. Определение химического потенциала можно записать в виде:
dE = TdS - PdV + μ dN (1.9)
где Е - энергия системы, S - её энтропия, N - количество частиц в системе.
Эта формула определяет, кроме химического потенциала μ, также давление P и температуру T.
Можно доказать, что химический потенциал задаётся формулой
NN (1.10)
где G - потенциал Гиббса.
Если энергия системы зависит не от объёма, а от других термодинамических параметров A 1, A 2..., исходная формула принимает вид
dE= TdS-∑ai dAi + µdN (1.11)
Если в системе имеется несколько разных типов частиц, то есть столько же разных химических потенциалов.
Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала
J ~ - (dμ /dx)pT (1.12)
В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае малых концентраций, так как химический потенциал связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то выше приведённую формулу можно заменить на следующую:
J = - D ∂ C (1.13)
которая показывает, что плотность потока вещества J [см -2 с -1] пропорциональна коэффициенту диффузии D [см 2 с -1] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):
∂ C = D ∂2 C (1.14)
Коэффициент диффузии D зависит от температуры. Температурная зависимость коэффициента диффузии подчиняется уравнению Аррениуса
D = AD exp(-UD /RT), (1.15)
где АD - предэкспоненциальный множитель; UD - кажущаяся энергия (энтальпия) активации; Т - абсолютная температура; R - газовая постоянная. Энергию активации диффузии определяют как
UD = -R [dlnD/d (1/T)]. (1.16)
В результате анализа методов градиентной технологии в качестве метода изготовления планарных волноводов в данной работе выбрана низкотемпературная ионообменная диффузия из расплава солей AgN03 (5 мол.%) - NaN03 (95 мол.%). В качестве объекта исследования будем использовать промышленные силикатные стекла - оптическое бесцветное К-8 и техническое стекло Na28 (предметное стекло для микроскопии). Оба этих стекла имеют в составе катионы Na+.
В процессе формирования поверхностного слоя с повышенным показателем преломления стеклянный образец приводится в контакт с расплавом соли, содержащим ионы, способные обмениваться с ионами стекла. Параметрами ионообменной диффузии, определяющими свойства модифицированного слоя, являются: время контакта стекла с солевым расплавом, температура процесса и состав солевого расплава.